用于廢水處理系統(tǒng)的臭氧濃度監(jiān)測裝置設(shè)計

劉巖 趙全 郝龍

摘 要：臭氧氧化技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，針對臭氧濃度監(jiān)測需求，設(shè)計了一種用于廢水處理系統(tǒng)的臭氧濃度監(jiān)測裝置。實現(xiàn)對廢水氧化處理前和尾氣處理后臭氧濃度的實時準(zhǔn)確監(jiān)測，聯(lián)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)廢水處理的相關(guān)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)優(yōu)化。通過本設(shè)計，保證廢水處理的高效環(huán)保，為基于臭氧氧化技術(shù)的廢水處理系統(tǒng)的工程化應(yīng)用提供控制保障。

關(guān)鍵詞：污水處理;臭氧濃度;單片機;液晶顯示

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.020

0 引言

臭氧是一種強氧化物質(zhì)，在水中可以產(chǎn)生活性極強的羥基自由基（·OH），通過羥基自由基與有機化合物之間的加合、取代、電子轉(zhuǎn)移、斷鍵等，使水體中的大分子、難降解有機物氧化降解成低毒或無毒的小分子物質(zhì)，對于廢水處理工藝的除臭、脫色、殺菌、去除有機物效果明顯。處理后廢水中的臭氧易分解，不產(chǎn)生二次污染，處理成本較低。臭氧的濃度是影響廢水處理效果的關(guān)鍵因素，而國家標(biāo)準(zhǔn)又對工業(yè)區(qū)日最大8小時臭氧濃度有著嚴(yán)格的限制。因此，需要優(yōu)化廢水處理流程，深入研究廢水處理應(yīng)用中臭氧濃度監(jiān)測技術(shù)[1]。

目前，臭氧濃度的監(jiān)測原理主要包括比色法、電化學(xué)法、紫外線吸收法、差分吸收光譜法等[2]。常用的監(jiān)測形式有兩類，一類是采樣后實驗室分析，首先進(jìn)行環(huán)境空氣的樣品采集，然后拿到實驗室利用化學(xué)方法進(jìn)行分析;一類是自動監(jiān)測儀器法，利用臭氧自動監(jiān)測儀進(jìn)行環(huán)境空氣中臭氧濃度的測定。然而在廢水處理工藝的臭氧濃度監(jiān)測過程中，以上兩種形式都存在檢測周期長、操作步驟復(fù)雜、設(shè)備體積大、不便于攜帶、智能反饋程度低等缺點。因此設(shè)計一種體積小、重量輕、檢測方法簡單、低功耗、智能化程度高的臭氧濃度監(jiān)測裝置具有一定的現(xiàn)實意義[3]。

1 總體方案設(shè)計

如圖1所示，臭氧濃度監(jiān)測裝置主要由臭氧濃度傳感器[4]、信號調(diào)理模塊、單片機、與控制系統(tǒng)的通信接口和液晶顯示模塊組成，其中臭氧濃度傳感器包括大濃度和小濃度兩種量程各一支，大濃度臭氧傳感器用于廢水處理系統(tǒng)反應(yīng)器氣體入口處，小濃度臭氧傳感器用于廢水處理系統(tǒng)臭氧尾氣處理裝置出口處。

2 硬件設(shè)計

（1）臭氧濃度傳感器。如圖2所示，選用北京航天凱恩化工科技有限公司研制的臭氧濃度傳感器。

該傳感器采用電化學(xué)反應(yīng)機理，當(dāng)待測空間中有臭氧存在時，臭氧與傳感器內(nèi)的氣敏單元發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，輸出微弱的電流信號，經(jīng)整流放大處理后輸出電流信號。傳感器由+24V供電，兩線制4～20mA電流輸出信號，具有功耗低，精度高，抗干擾能力強等優(yōu)點，具備信號遠(yuǎn)傳功能。根據(jù)現(xiàn)場需要，選擇量程0～1000ppm大量程臭氧濃度傳感器，分辨率1ppm;量程0～2ppm小量程臭氧濃度傳感器，分辨率0.01ppm。

（2）電源模塊設(shè)計。根據(jù)傳感器工作需要選用+24V電源給系統(tǒng)供電，選擇高效率DC-DC轉(zhuǎn)換芯片MP1593，輸入電壓信號4.75V～28V，輸出高達(dá)3A，發(fā)熱量小。配置+3.3V輸出電壓，給信號調(diào)理模塊、單片機模塊以及液晶顯示模塊供電。

（3）信號采集電路。臭氧濃度傳感器輸出4～20mA電流信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸入給內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊的單片機，單片機選用STM32F103C8T6[5]，其內(nèi)置8路12位高分辨率的ADC模塊，滿足本方案需求。將與濃度值對應(yīng)的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并經(jīng)過內(nèi)置算法處理，最后通過IIC接口在液晶顯示模塊上顯示兩路臭氧傳感器濃度值。若反應(yīng)器前端臭氧濃度不符合預(yù)設(shè)值，則報警提示，并聯(lián)動控制系統(tǒng)進(jìn)行臭氧濃度的調(diào)節(jié);若尾氣處理裝置末端臭氧濃度超標(biāo)，則報警提示工作人員檢修尾氣處理裝置。

（4）液晶顯示模塊。液晶顯示模塊選用IIC接口的LC12864顯示屏，背光亮度可調(diào)，128×64分辨率。

3 軟件設(shè)計

首先系統(tǒng)初始化，進(jìn)入歡迎界面，開始啟動數(shù)據(jù)采集，在循環(huán)中分別進(jìn)行判斷兩路臭氧濃度傳感器輸入信號;每1s周期執(zhí)行一次檢測，AD采集使用多次采樣取均值的方法降低噪聲干擾;并將兩路電壓值轉(zhuǎn)換成濃度值，對應(yīng)地寫入到液晶顯示屏對應(yīng)顯示區(qū)域。如果濃度值不符合設(shè)定的濃度區(qū)間，則報警提示并聯(lián)動控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文針對廢水處理過程中的臭氧濃度監(jiān)測需求，設(shè)計了一種用于廢水處理系統(tǒng)的臭氧濃度監(jiān)測裝置。通過對硬件電路和軟件的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了對廢水氧化處理前和尾氣處理后臭氧濃度的實時準(zhǔn)確監(jiān)測，并聯(lián)動控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)廢水處理的相關(guān)工藝參數(shù)。該監(jiān)測裝置具有良好的人機界面，方便操作人員查看、提取和分析有關(guān)數(shù)據(jù)，增強臭氧氧化法廢水處理系統(tǒng)的智能化水平，為實際的工程化應(yīng)用提供控制保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]李軍，劉清毅，井良宵.臭氧技術(shù)在廢水處理中的研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2014，43（10）：2191-2195.

[2]姚鵬輝.臭氧濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].華北電力大學(xué)，2016.

[3]王翠翠.基于ARM的便攜式臭氧濃度檢測儀的研制[D].哈爾濱理工大學(xué)，2009.

[4]劉鵬.循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中臭氧高效混合裝置與在線監(jiān)控技術(shù)研究[D].上海海洋大學(xué)，2014.

[5]湯旺，王巍.基于STM32單片機的自動報警系統(tǒng)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（08）：292.